天文觀測 i introduction 2015/6/111. 天文是甚麼 ? 根據劍橋天文學辭典解釋 – the...
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天文觀測 I
Introduction
112/04/18 1
天文是甚麼 ?
• 根據劍橋天文學辭典解釋– The Study of the universe and its contents beyond
the boundary of atmosphere– 研究在大氣層以上之宇宙及其組成成份
• “宇宙及其組成成份”:絕大部分科學的目的• “大氣層以上” : 這意味這”很遠“
– “距離”成為研究天文學上之特色• 距離遠但看的到,表示其輻射 ( 自發或反射 ) 很強
– 輻射強表面積大體積大質量大…… ..( 天文數字 )
112/04/18 2
天文與太空的模糊地帶
• 太空科學– 從上層大氣到太陽系。– 絕大部分是儀器或主動電波 ( 由地面上發射 ) 可
及之處。• 太空科學與天文之交集:太陽系之研究
– 我們用各種方方法研究太陽系,很難分何者為太空科學,何者為天文
• 地面 / 太空觀測 (SOHO)• 派太空船近距離觀測 (Cassini)• 人工 / 機械採集樣本 (隼 Hayabusa)
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天文觀測
• 本課程天文觀測,將著重於“觀測”部分– 觀測:被動接收訊息加以分析– 天文觀測:被動接收自宇宙來的訊息加以分析
• 天文研究二大支柱:觀測與理論– 理論:天文物理 ( 化學、生物…… .)
• 天文物理:根據劍橋天文學辭典解釋– The physical theory of astronomical objects and phenomena– 天體與其現象之物理學– 通常用我們已知之物理學來解釋天象,但往往引發物理上新
的進展 ( 如牛頓萬有引力定律 ) 與議題 ( 如暗物質、暗能量 )• 觀測可驗證理論或給與理論新的啟發。
– 類似於物理實驗對於物理理論之影響。
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天文觀測與物理實驗之相異處
物理實驗 天文觀測
研究主體之環境控制
可達成或必須達成 無法達成
進行之手段 主動達成目的 被動接收訊息
進行方法之多元性
較多元化 較為貧乏 ( 望遠鏡觀測 )
成果預期 意外情況較少 意外情況較多
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意外何其多
• 在天文發展史中有趣的現象 : 重要的 發現都意外,如:– 宇宙背景輻射– 波煞 / 脈衝星 (pulsar)– 似星體 (quasar)– X 光天文學 ( 太陽系外之 X 光源 )
• 但這是否意味著天文觀測只要守株待兔就好 ?– 不,觀測仍要有科學目的,並要詳細規劃觀測計畫,
漫無目的的觀測只是浪費時間。
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天上之訊息如何傳遞 ?
• 由於天體距離遙遠,觀測成唯唯一獲得訊息之手段。
• 來自天上的訊息如何通過極大的空間傳至地球 ?– 帶電粒子– 微中子– 重力波– 電磁波 ( 光子 )
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帶電粒子
• 地球時時刻刻有帶電粒子進入,主要來源:– 太陽風
• 因此可推論一般恆星亦會發出恆星風– 宇宙射線
• 可能與超新星爆炸有關• 帶電粒子很容易偵測,但由於
– 星際間有磁場,雖然很小 (μG) 但– 天體距地球相當遙遠– 帶電粒子抵達地球之行進方向已與原天體之方向大
不相同 ( 極度扭曲 ) ,無法知道它是從哪一個天體而來。
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微中子
• 微中子是天文觀測之極有利之工具,因為它一旦產生,就極難被吸收。– 天文中只要碰到核反應,大部分都有為中子產生,如
• 恆星內部之核融合• 超新星爆發
– 因此用微中子能看到恆星內部情形• 這一點電磁波辦不到,它只能告訴你恆星大氣之資訊
• 但其優點也是其缺點,很難吸收,就很難被偵測到。• 雖然在實際上應用不便,但已開始發展
– 2002年諾貝爾物理獎• ¼美國雷蒙戴維斯 :偵測到太陽為中子• ¼日本小柴昌俊:偵測到 SN1987A 之超新星爆炸所發出的微中子 (7個 )
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重力波• 愛因斯坦廣義相對論所預測• 重力是天體間最重要的作用力• 天體運動往往引發重力波輻射 ( 如雙星運動 )• 但是
– 重力波不是太過微弱,就是波長太長,很難偵測。– 目前尚無人直接偵測到重力波,僅有間接證據
• 中子星雙星軌道變化– 目前已有數個地面觀測站進行偵測,未來將在太
空放置重力波天線 (LIZA)
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電磁波• 電磁波是目前觀測的主力。• 目前的觀測已幾乎涵蓋全波段 ( 無線電波至
γ-ray)– 可見光:發展最早,自遠古時代人類就以肉眼觀
測,自伽利略開始使用望遠鏡觀測。– 無線電波:開始於 50年代。– X-ray :開始於 60年代– γ-ray :開始於 70年代– 遠紫外:開始於 70-80年代– 遠紅外:開始於 80-90年代
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關於天文觀測的迷思
• 天文觀測就是拿著望遠鏡拍星星,所以只能研究看的到的東西 ( 就是可見光波段 )– 錯,由上所知人類的觀測已進入全波段。
• 天文觀測就是拿著望遠鏡拍星星,拍出影向來看圖說故事– 錯,影像只是天文觀測得一部分,事實上,天文學家
將盡所可能的分析所收集到的光線所含的資訊。– 天文學自伽利略後已成為科學得一部分,所觀測到的東西,如同其他科學一般,要盡可能的量化。
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關於天文觀測的迷思• 天文觀測的結果好像誤差都很大,因此天文學是
不嚴謹的科學。– 天文學是自然科學的一部分,在能做的精確時就要做
到精確。• 有些天文物理量可以量到非常精確,如毫秒脈衝星的周期可量到 14位有效數字。
– 不可否認,天文學大部份的數字誤差都滿大,而且時常修正,這是由於天文學的特性及人類的能力有限 ( 我們只能接收分析所得到的光 ) 。
• 例如最簡單的物理量:距離,在天文學上量測就是一大問題,方法有數十種,適用於不同的尺度,但其精確度仍有限制,可是一旦距離能量到精確,許多天文物理問題就迎刃而解。
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資訊來源:光
• 天體的資訊藉由光 ( 電磁波 ) 傳遞到地球,因此要先了解光的特性,才能知道如何分析去解開這些訊息。
• 至於能否解析出訊息,有賴望遠鏡、儀器及後端分析能理 ( 人與分析工具 )
• 因此,我們要先了解光……
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上帝說有光 便有光
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基本知識 – 光的本質• 粒子說 –牛頓
• 波動說–惠更斯 – 證據 : 光的干涉與繞射– 光為電磁波的一種
• Maxwell equations
• 量子論 – 普朗克等 – 波動 - 粒子二元說– 光波光子– 證據 : 黑體輻射、光電效應
波動乎 ? 粒子乎 ?
• 長波長 – 光子能量低 – 波動性強 ( 如無線電波 )• 短波長 – 光子能量高 – 粒子性強 ( 如 X-ray/γ-
ray)• 事實上,光即像粒子也像波,即不像粒子也不像波。– 波動說與粒子 ( 光子 ) 說都是極端的模型,光的特性基本上介於二者之間,只是哪一些特性較為突顯。
– 依量子力學• 光波 ( 電磁波 ) 為光子之“物質波” ( 機率波 )• 光子為電磁場量子化 ( 量子場 ) 之結果
– 因此用電磁波或光子研究光應有相通結果。
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光所攜帶的信息—電磁波觀點• 真空中的 Maxwell 方程式
波動方程式
112/04/18 21
2 2
2
2 2
22
2 2
4 0
0
1
4 1 1
1 1 1
1
E
B
BE
c t
E EB J
c c t c t
E E E E
B B E
c t c t c t
EE
c t
��������������
��������������
����������������������������
��������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
������������������������������������������
����������������������������
光所攜帶的信息—電磁波觀點• 波動方程式的平面波單頻解 ( 我們觀測到的為其實數部分 )
• 所含訊息
• 四大訊息 : 方向、強度、波長與偏極112/04/18 22
0, expE r t E i k r t ����������������������������������������������������������������������
0 :
( ) ( )
: wave vector
2
:
:
2 ( )
( )
E
k
k k
k
kc
k
��������������
基本上為複數內含振福 強度 與相位 偏極或偏振
波長
的方向 光波進行的方向真空中
內含波長 頻率 與光進行方向
光所攜帶的信息—偏極 ( 電磁波觀點 )
• 將上述解帶回真空中的 Maxwell 方程式
– 電場 ( 磁場 ) 與光行進方向相互垂直,所以,電場的三個自由度變成二個
– 二個獨立偏振方向,與行進方向垂直 (橫波 )• 縱波 :振動方向與進行方向平行 ( 如聲波 )
112/04/18 23
0 0
0 0
1
E k E
B k B
BE k E B
c t c
������������������������������������������
������������������������������������������
����������������������������������������������������������������������
光所攜帶的信息—偏極 ( 電磁波觀點 )
• 假設波進行的方向為 +z 方向
112/04/18 24
0
0 0
0 0
0 0
0 0
, exp
ˆ ˆexp exp
ˆ ˆexp exp
ˆ ˆexp exp
ˆ ˆcos cos
Let
yx
x y
iix y
x x y y
x x y y
E r t E i kz t
E i kz t x E i kz t y
E e i kz t x E e i kz t y
E i kz t x E i kz t y
E E kz t x E kz t y
u
������������������������������������������
取實數部分
0
0
; (X Y )
cos
cos
x y x
y
x x
y y
kz t
kz t u
E E u
E E u
之間之相位差
EM Plane Wave – Polarization
0
0
2
0 0
22 2
2 2 2
0 0 0 0 0
22
2
0 0 0 0
cos
cos cos cos sin sin
cos 1 sin
sin sin cos 2 cos
2 cos sin
which
x
x
y
y
x x
x x
y yx x x
x y x y x
y yx x
x y x y
Eu
E
Eu u u
E
E E
E E
E EE E E
E E E E E
E EE E
E E E E
2 2 22 2
2
0 0 0 0 0 0
is a ellipse in general because
1 1 1 1 1 14 cos 4 4 cos 1 0
x y x y x yE E E E E E
EM Plane Wave – Linear Polarization22
0 0 0 0
2
0 0 0 0
22
0 0 0 0
2
0 0 0 0
(1) =0 2 0
0 0
(2) = 2 0
0 0
(3) 0
(4) 0
y yx x
x y y x
y yx x
y x y x
y yx x
x y y x
y yx x
y x y x
y
x
E EE E
E E E E
E EE E
E E E E
E EE E
E E E E
E EE E
E E E E
E
E
x
yE
x
E y
E
y
x
y
x
EM Plane Wave – Circular Polarization
0 0 0
2 2 20
2 2 20
(1) =23
(2) = 2
x y
x y
x y
E E E
E E E
E E E
x
y
E
x
y
E
Circular Polarization
EM Plane Wave – Ellipes Polarization
0 0
22
2 20 0
22
2 20 0
(1) = 12
3(2) = 1
2
All others : ellipse
x y
yx
x y
yx
x y
E E
EE
E E
EE
E E
xE
y
xE
y
xEy
四大訊息—波動說 vs. 光子說
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訊息 波動說 光子說
光進行方向
電磁波進行方向 光子進行方向
強度 Photon flux單位時間單位面積通過之光子數
波長 波長 光子能量
偏極方向 電場 ( 磁場 ) 方向變化
光子自旋 (圓偏極 )
2
0 0 E E����������������������������或
2
0 E��������������
h
實際的光波—電磁波觀點• 上述僅為一“單純化”之光波,實際上的光波 ……
– 振幅可能“很平緩的”與時空有關• 振幅變化空間尺度 >> 波長• 振幅變化時間尺度 >>頻率倒數
– 許多不同波長的光混雜在一起
– 光可能從不同方向進來
– 混雜著各種不同的偏振• 可能某一種形式的偏振特強,也許沒有任何一種偏振形式特強
112/04/18 31
0 0= ,E E r t������������������������������������������
0 0= , ,E E r t ������������������������������������������
實際的光波—光子觀點• 上述僅為一“單純化”之光波,實際上的光波 ……
– Photon flux 可能“很平緩的”與時空有關• Flux變化空間尺度 >> 波長• 變化時間尺度 >>頻率倒數
– 許多不同能量的光子混雜在一起
– 光子可能從不同方向進來
– 混雜著各種不同的自旋• 可能某一種形式的自旋特強,也許沒有任何一種自旋形式特強
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以觀測者而言……
• 觀測者位置“大致”固定
112/04/18 33
特性 波動說 光子說
光進行方向
電磁波進行方向
光子進行方向
強度對時間的變化
單位時間 (單位面積 ) 通過之光子數與時間之變化 或光子抵達 (偵測器 ) 時間
強度對波長的分部
光子數 (密度 ) 對光子能量之分佈
偏極方向 電場 ( 磁場 )方向變化
光子自旋 (圓偏極 )
2
0 ( )E t��������������
0 0= , ,E E r t ������������������������������������������
資料
影像
光變曲線
光譜
偏極化
2
0 ( )E ��������������
Image, Light Curve and Spectrum
• Image– Photon distribution on detector sky image
• Light curve– Time vs. flux
• Optical : time vs. magnitude• X-ray: time vs. count rate
• Spectrum– Energy/wavelength/frequency vs.
flux• X-ray: energy• Optical: wavelength• Radio: frequency
天文觀測四大基本資料
• 因此,由光的四個基本特性事實上只能傳遞四種基本資料,那就是– 影像 ( 光行進方向 )– 光變曲線 ( 強度對時間變化 )– 光譜 ( 強度對波長分佈 )– 偏極化
• 因此天文觀測原則上就是收集從天體來的四種基本資料而已 –那不是太簡單了嗎 ?
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運用之妙 存乎一心
• 雖然光只能給我們四種訊息,但經過各種不同的組合,能告訴我們更多的訊息– 影像上不同部分的光譜– 不同波段的光變曲線
• 波段 : 較粗略的分割光譜,如可見光中的 UVBRI 波段。由於特定波長之光強度太弱,不易分析,因此已一段波長範圍內的強度來分析,如恆星的色指數 (color index B-V)
– 不同時間的影像– …….– 以及其所衍生之資料
• 如速度分佈等
112/04/18 36
Image, Light Curve and Spectrum
Image
Light Curve
Spectrum
Time resolved images
Image resolved light curves
Image resolved spectra
Band resolved Images
Time/phase resolved spectra
Band resolved light curveHardness ratio/color
Image Resolved Spectra
Time/phase Resolved Images
Band Resolved Light Curve
Band Resolved Images
Crab Nebula – a Close LookChandra (X-ray) HST (Optical)
好資料的取得
• 天文學家能從光帶來的四種基本資料解析出我們看到的宇宙,因此我們要“好”的資料。
• 好資料的取得– 你看得到嗎 ?(detection)
• 微弱光源與微弱訊號 (sensitivity)• 時間性現象 (如 transient event像 supernova)
– 看的到,但解析的出嗎 ?• 有沒有好得角分辨率得到清晰的影像 ? (resolution)• 有沒有好的時間解析度可解析快速光變 ? (resolution)• 有沒有好的光譜儀能解出光譜精細結構 ? (resolution)• 有沒有足夠的光足以做上述分析 ?
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112/04/18 44
112/04/18 45
Fermi All Sky Survey
Photon Information and Binning
(X,Y) (Arrival time) (Energy)
Binning theevent position
Binning theevent arrival time
Binning theevent energy
Image Light Curve Spectrum
A Event = A detected signal
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Some source here?
Not Seen hereDue to too fine bin?(0 or 1 cts/bin)Better angular resolutionWorse sensitivity ?Need more photonTo improve detection
我們需要• 大望遠鏡
– 越大越好,多收集光子 (EM wave)– 增進靈敏度與 detection
• 好的光學系統與分析系統 ( 如光譜儀 )– 增加解析度
• 好的偵測器– 增加靈敏度、 detection 與解析度
• 好的後端分析儲存設備– 數位化,增加靈敏度、 detection 與解析度
• 好的分析技巧– 訓練專業天文學家
112/04/18 48
大望遠鏡
• 目前最大的望遠鏡 Arecibo Telescope (Radio, 直徑 305公尺 )
112/04/18 49
大望遠鏡
• 廿年後最大的望遠鏡 FAST (Radio, 直徑 500公尺 )
112/04/18 50
大望遠鏡
• 目前最大的可見光望遠鏡 Keck (直徑 10公尺 )
112/04/18 51
大望遠鏡
• 廿年後最大的可見光望遠鏡 (?)TMT (直徑 30公尺 )
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靈敏的儀器
• 除了收集到大量的光以外,天文觀測有賴於好的儀器
• 好的影像– 光學系統與影像偵測系統 (如 CCD)
• 好的時間解析度– 快速資料處理系統
• 好的光譜解析度– 精密光譜儀
• 以上配合大量收集到的光,就得到好的天文觀測。
112/04/18 53
後端處理與儲存系統
• 由於儀器日新月異,天文資料量也越來越大– 以 Pan-STARRS 為例
• CCD:14億像素• 2bytes/pixel => 2.76 Gbytes/frame
• 30秒曝光一次,每天觀測 8小時
• 再加處理過程的影像……
• 太空望遠鏡還有另一個問題:資料如何傳輸 ?
112/04/18 54
8 hrs/night2.76Gbyte/frame =2.65 Tbyte/night
30 sec/frame
窮人不能玩天文 ?
• 小望遠鏡 +便宜的儀器就不能做天文研究嗎 ?• 做大望遠鏡做不到的 :爭取時間
– 瞬變現象之發現與早期後續觀測• 超新星、 GRB
– 長時期累積資料 (ASVSO)– 結合其他小望遠鏡,形成全球聯測網,已達成“無中斷”之資料 (WET, Backyard Astronomers)
• 避開白天不能觀測• 避開因天候影響不能觀測
112/04/18 55
小結
• 我”在天文觀測的第一本書”之序寫道 : 天文– 可以很近,也可以很遠– 可以很古老,也可以很現代– 可以很浪漫,也可以很理性– 可以很神秘,也可以很科學– 可以很簡單,也可以很複雜– 可以很便宜,也可以很昂貴
• 本課程的目的,是要將各位從上述句子的”左邊”,慢慢移向”右邊”。
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